宽带卫星信道仿真简述

随着科技的不断发展,宽带卫星通信已成为现代通信领域的重要发展方向。然而,在实际应用中,宽带卫星信道面临着许多挑战,如信号传输质量、带宽利用率、信道容量等问题。为了解决这些问题,需要进行宽带卫星信道仿真。


1.信号传输质量:由于卫星信道的传输距离较长,信号在传输过程中会受到大气层、天气条件等多种因素的影响,导致信号传输质量下降。
2.带宽利用率:在宽带卫星通信中,带宽利用率是一个重要的问题。如何有效地利用带宽资源,提高传输效率,是亟待解决的问题。

3.信道容量:卫星信道的容量有限,如何提高信道容量,满足日益增长的数据传输需求,是宽带卫星通信面临的另一个重要问题。


为了解决这些问题,一款高性能、高精度、高可靠性的宽带卫星信道仿真工具推动宽带卫星通信技术的发展具有重要意义。




基于宽带卫星的信道仿真技术


如果信号经历了频率选择性衰落,接收可能分辨出来多条径,此时应使用宽带模型。宽带模型是以窄带模型为基础构建的衰落模型,信道输出表示为输入信号的各个时延分量与窄带模型仿真器产生的各个独立衰落过程乘积的和,一般采用抽头延迟线(Tapped Delay Line,TDL)结构。




宽带卫星无线信道仿真原理


卫星信号经过星地无线信道可以通过时域卷积定理描述


宽带卫星信道仿真简述

其中时刻的输入信号,时刻衰落信道的输出信号,时刻的信道冲击响应,是多径的时延。上式表明,星地无线信道仿真对输入信号添加衰落是在时延域进行卷积,而不是时域卷积。


根据无线电波传播信道中的广义稳态非相关散射假设,多径之间的信道冲击响应是不相关的。如果由上式实现无线衰落信道仿真,由于信道的多径是在衰落仿真之前已经建模完成,则需要根据不同的信道模型对多径的信道冲击响应进行重采样以实现多径的时延。以5G信道模型为例,其多径时延一般在级,这就对基带的信道建模提出了极大的数据处理要求。为了避免建模时的数据重采样(需要提高基带采样率,降低建模时间效率),对上式进行变换处理,根据卷积的交换律性值


宽带卫星信道仿真简述

从上式可以看出,对信道的多径完成建模后,不需要对冲击响应进行重采样操作,只需要对输入的已知信号进行延迟即可。对于硬件实现,数据的延迟可以使用逻辑电路进行存储与读取操作,大大简化了数据处理的复杂度。

考虑数字仿真实现,上式写成离散形式


宽带卫星信道仿真简述

根据线性时不变系统的因果性质


宽带卫星信道仿真简述


宽带卫星信道仿真简述

上公式就是星地无线信道仿真在时域进行衰落信道叠加的整体实现结构-抽头延迟线模型,如下图所示。


宽带卫星信道仿真简述

图 1 无线信道仿真抽头延迟线模型


根据上图的抽头延迟线模型,可以看出星地无线信道仿真共实现了N条衰落多径的叠加,考虑多径相对时延,输入信号直接和第一条径在n时刻的冲击响应相乘,然后对输入信号进行第二条多径的延迟后和第二条径在n时刻的冲击响应相乘,依次类推,直至完成n时刻的N条衰落多径的冲击响应叠加并输出,星地无线信道仿真就完成了n时刻的衰落信道仿真。


抽头延迟线模型阐述了当前时刻星地无线衰落信道的叠加情况。实际的卫星无线信道是时变信道,即会随着时间的变化而不断变化,这就要求卫星无线信道仿真按照一定的时间间隔不断更新以模拟时变信道。更新的时间间隔一般和收发设备的相对运动速度有关系,其需要信道建模和无线信道仿真进行联合交互控制以实现时变衰落信道的添加。




宽带卫星无线信道模型


德国航空研究中心在城区环境、乡村环境和郊区环境的实测信道特性参数(主径未归一化)见下表所示:



表 1 城区环境下的实测信道参数

Cluster #

Delay/ns

Power in [dB]

Fading  distribution

1

0

-4.1979

LOS path

-12.1

Rayleigh

2

60

-17

Rayleigh

3

100

-18.3

Rayleigh

4

130

-19.1

Rayleigh

5

250

-22.1

Rayleigh

表 2 乡村环境下的实测信道参数

Cluster #

Delay/ns

Power in [dB]

Fading  distribution

1

0

-2.94

LOS path

-9.5

Rayleigh

2

60

-24.1

Rayleigh

3

100

-25.2

Rayleigh

表 3 郊区环境下的实测信道参数

Cluster #

Delay/ns

Power in [dB]

Fading  distribution

1

0

2.5358

LOS path

-7.3

Rayleigh

2

100

-23.6

Rayleigh

3

180

-28.1

Rayleigh

3GPP38811 协议中定义了NTN-TDL-A/B/C/D,四组模型,如下表所示,采用均方根时延扩展为1的方法定义:

表 4 NTN-TDL-A 仰角  

Tap #

Normalized delay

Power in [dB]

Fading  distribution

1

0

0

Rayleigh

2

1.0811

-4.675

Rayleigh

3

2.8416

-6.482

Rayleigh


表 5 NTN-TDL-B 仰角  

Tap #

Normalized delay

Power in [dB]

Fading  distribution

1

0

0

Rayleigh

2

0.7249

-1.973

Rayleigh

3

0.7410

-4.332

Rayleigh

4

5.7392

-11.914

Rayleigh

表 6 NTN-TDL-C 仰角

Tap #

Normalized delay

Power in [dB]

Fading distribution

1

0

-0.394

LOS path

0

-10.618

Rayleigh

2

14.8124

-23.373

Rayleigh

NOTE:  The first tap follows a Ricean  distribution with a K-factor of K1 = 10.224 dB and a mean power of  0 dB.

表 7 NTN-TDL-D 仰角

Tap #

Normalized delay

Power in [dB]

Fading distribution

1

0

-0.284

LOS path

0

-11.991

Rayleigh

2

0.5596

-9.887

Rayleigh

3

7.3340

-16.771

Rayleigh

NOTE:  The first tap follows a Ricean  distribution with a K-factor of K1 = 11.707 dB and a mean power of  0 dB.



宽带卫星信道仿真简述

图 2 NTN-TDL-A移动台接收信号的幅度



宽带卫星信道仿真简述

图 3 NTN-TDL-B移动台接收信号的幅度



宽带卫星信道仿真简述

图 4 NTN-TDL-C移动台接收信号的幅度


宽带卫星信道仿真简述

图 5 NTN-TDL-D移动台接收信号的幅度


图 2~图 5所示的分别是通过采用抽头延迟线仿真模型得到的一段时间3GPP-38811协议中TDL-A/B/C/D模型中移动台接收信号的幅度。可以看到,随着模型的不同,信号的传播时延也各不相同,因此接收信号的衰落程度也各不相同。对于TDL-C/D模型,由于是LOS环境,主径信号衰落比较平坦,对于TDL-A/B模型,由于是NLOS环境,可以看到信号发生了比较严重的衰落。




宽带卫星无线信道仿真仪-KSW-WNS02B


频率范围:1.5MHz ~ 44GHz
通道数:64通道
最大逻辑通道:2048
最大带宽:600MHz,载波聚合达到2GHz
最大时延:>3秒
时延精度:<0.1ns
输入功率范围:-40dBm~30dBm
输出功率范围:-120dBm~0dBm
最大多普勒频偏:±6MHz
多普勒精度:<0.1Hz


宽带卫星信道仿真简述


澳门新葡澳京的 KSW-WNS02B 是一款高性能的宽带卫星信道仿真工具,具有以下特点:



1.高精度仿真:KSW-WNS02B采用先进的仿真算法和模型,能够精确模拟真实环境下的卫星信道传输特性,包括大气层、天气条件等多种影响因素。同时,它还支持多种调制解调技术、多载波技术等手段的仿真和分析,为信号传输质量的提高提供了有力支持。
2.高效仿真速度:KSW-WNS02B采用了高效的仿真算法和优化技术,能够快速进行大规模的宽带卫星信道仿真和分析。这使得研究人员可以在短时间内完成大量的实验和测试工作,提高了工作效率和准确性。
3.灵活性和可扩展性:KSW-WNS02B支持多种不同的配置和扩展方式,可以根据实际需求进行定制和扩展。这使得研究人员可以根据不同的应用场景和需求进行灵活的配置和调整,提高了仿真工具的适应性和灵活性。
4.易于使用和维护:KSW-WNS02B提供了友好的用户界面和操作方式,使得研究人员可以轻松地进行仿真和分析工作。同时,它还提供了完善的文档和售后服务支持,为使用和维护提供了便利和保障。



总之, KSW-WNS02B在宽带卫星仿真中具有至关重要的作用。通过精确仿真和分析卫星信道的传输特性,有效解决了信号传输质量、带宽利用率和信道容量等关键问题,为提升宽带卫星通信技术的整体性能提供了有力支持。同时,KSW-WNS02B还具备易于使用和维护的优点,为用户提供了便捷的操作体验和可靠的维护支持。最后,它也为未来宽带卫星通信技术的发展提供了更为深入的洞察和应用前景。